Очарование китов будоражило человеческое сознание на протяжении тысячелетий, представляя этих океанских гигантов загадочными обитателями глубин моря. От библейского Левиафана до грозного Моби Дика Германа Мелвилла, киты занимали центральное место в мифологии и фольклоре. И хотя китология, или наука о китах, улучшила наши знания об этих морских млекопитающих, в частности, в прошлом столетии, изучение китов остается огромной проблемой.
Теперь, благодаря машинному обучению, мы стали немного ближе к пониманию этих нежных гигантов. Исследователи из Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL) и проекта CETI (Инициатива по переводу китов) недавно использовали алгоритмы для декодирования «фонетического алфавита кашалота», выявив сложные структуры в общении кашалотов, сходные с фонетикой человека и коммуникационными системами в других виды животных.
В новом исследовании открытого доступа, опубликованном в Природные коммуникацииИсследования показывают, что коды кашалотов, или короткие серии щелчков, которые они используют для общения, значительно различаются по структуре в зависимости от контекста разговора, показывая, что система общения гораздо более сложна, чем предполагалось ранее.
Девять тысяч кодов, собранных у семейств восточно-карибских кашалотов, наблюдаемых в рамках проекта «Кашалоты Доминики», стали отправной точкой в раскрытии сложной системы коммуникации этих существ. Помимо сбора данных, команда использовала сочетание алгоритмов распознавания и классификации образов, а также записывающее оборудование на теле. Оказалось, что коммуникации кашалотов действительно не случайны и не упрощены, а скорее структурированы сложным, комбинаторным образом.
Исследователи определили что-то вроде «фонетического алфавита кашалота», в котором различные элементы, которые исследователи называют «ритмом», «темпом», «рубато» и «орнаментацией», взаимодействуют, образуя огромное количество различимых кодов. Например, киты систематически модулируют определенные аспекты своих кодов в зависимости от контекста разговора, например, плавно изменяя продолжительность криков (рубато) или добавляя дополнительные декоративные щелчки. Но еще более примечательно то, что они обнаружили, что основные строительные блоки этих кодов можно комбинировать, что позволяет китам создавать обширный репертуар различных вокализаций.
Эксперименты проводились с использованием меток акустического биологического каротажа (в частности, так называемых «D-меток»), установленных на китах восточно-карибского клана. Эти метки запечатлели сложные детали голосовых паттернов китов. Разработав новые методы визуализации и анализа данных, исследователи CSAIL обнаружили, что отдельные кашалоты могут излучать различные образцы кодов в ходе длительных обменов, а не просто повторять одну и ту же коду. По их словам, эти закономерности имеют нюансы и включают в себя мелкие вариации, которые также производят и распознают другие киты.
«Мы отправляемся в неизведанное, чтобы разгадать тайны общения кашалотов без каких-либо ранее существовавших достоверных данных», — говорит Даниэла Рус, директор CSAIL и профессор электротехники и информатики (EECS) в Массачусетском технологическом институте. «Использование машинного обучения важно для выявления особенностей их общения и прогнозирования того, что они скажут дальше. Наши результаты указывают на наличие структурированного информационного контента, а также бросают вызов преобладающему среди многих лингвистов убеждению, что сложная коммуникация присуща только людям. Это шаг к тому, чтобы показать, что у других видов есть уровни сложности общения, которые до сих пор не были выявлены и глубоко связаны с поведением. Наши следующие шаги направлены на расшифровку смысла этих сообщений и исследование корреляций на социальном уровне между тем, что говорится, и групповыми действиями».
Китобойный промысел
Кашалоты обладают самым большим мозгом среди всех известных животных. Это сопровождается очень сложным социальным поведением между семьями и культурными группами, что требует тесного общения для координации, особенно в условиях повышенного давления, таких как глубоководная охота.
Киты во многом обязаны Роджеру Пейну, бывшему советнику проекта CETI, биологу по китам, защитнику природы и научному сотруднику Макартура, который сыграл важную роль в освещении их музыкальной карьеры. В отмеченном 1971 г. Наука В статье «Песни горбатых китов» Пейн задокументировал, как киты могут петь. Его работа позже послужила катализатором движения «Спасите китов», успешной и своевременной природоохранной инициативы.
«Исследование Роджера подчеркивает влияние, которое наука может оказать на общество. Его открытие о том, что киты поют, привело к принятию закона о защите морских млекопитающих и помогло спасти несколько видов китов от вымирания. Это междисциплинарное исследование теперь приближает нас на один шаг к пониманию того, что говорят кашалоты», — говорит Дэвид Грубер, руководитель и основатель проекта CETI и заслуженный профессор биологии Городского университета Нью-Йорка.
Сегодня предстоящее исследование CETI направлено на то, чтобы выяснить, несут ли такие элементы, как ритм, темп, орнамент и рубато, конкретные коммуникативные намерения, потенциально давая представление о «двойственности паттернов» — лингвистическом феномене, когда простые элементы объединяются для передачи сложных значений, ранее считавшихся уникальными для человеческий язык.
Инопланетяне среди нас
«Один из интригующих аспектов нашего исследования заключается в том, что оно соответствует гипотетическому сценарию контакта с инопланетными видами. Речь идет о понимании видов с совершенно другой средой и протоколами общения, где их взаимодействие явно отличается от человеческих норм», — говорит Пратюша Шарма, аспирант Массачусетского технологического института в EECS, филиале CSAIL, и ведущий автор исследования. «Мы изучаем, как интерпретировать основные смысловые единицы в их общении. Речь идет не только об обучении животных человеческому языку, но и о расшифровке естественно развившейся системы общения в рамках их уникальных биологических и экологических ограничений. По сути, наша работа может заложить основу для расшифровки того, как может общаться «инопланетная цивилизация», предоставив понимание создания алгоритмов или систем для понимания совершенно незнакомых форм общения».
«Многие виды животных имеют репертуар нескольких различных сигналов, но мы только начинаем раскрывать степень, в которой они комбинируют эти сигналы для создания новых сообщений», — говорит Роберт Сейфарт, почетный профессор психологии Пенсильванского университета, не принимавший участия в исследовании. исследовать. «Ученых особенно интересует, изменяются ли комбинации сигналов в зависимости от социального или экологического контекста, в котором они даны, и в какой степени комбинации сигналов следуют различимым «правилам», которые осознаются слушателями. Проблема особенно сложна в случае морских млекопитающих, поскольку учёные обычно не могут видеть своих субъектов или полностью детально определить контекст общения. Тем не менее, эта статья предлагает новые, интересные подробности комбинаций криков и правил, которые лежат в их основе у кашалотов».
К Шарме, Русу и Груберу присоединились еще двое из Массачусетского технологического института, ведущие исследователи CSAIL и профессора EECS: Джейкоб Андреас и Антонио Торральба. Они присоединяются к Шейну Геро, руководителю отдела биологии CETI, основателю проекта «Доминиканские кашалоты» и учёному, работающему в Карлтонском университете. Статья финансировалась Project CETI через Dalio Philanthropies и Ocean X, Sea Grape Foundation, Розамунд Зандер/Хансйорг Висс и Криса Андерсона/Жаклин Новограц через The Audacious Project: совместную финансовую инициативу, размещенную на TED, при дальнейшей поддержке со стороны JH и Фонд Э. Вейда в Массачусетском технологическом институте.